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論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation, 6; Introduction of detailed dose calculation method

中山 浩成; 佐藤 大樹; 永井 晴康; 寺田 宏明

Journal of Nuclear Science and Technology, 58(9), p.949 - 969, 2021/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:83.53(Nuclear Science & Technology)

局所域高分解能大気拡散モデルLOHDIM-LESに、原子炉建屋などの建物による遮蔽効果を考慮して詳細に線量評価が行える計算手法を導入した。線量計算においては、放射線輸送計算コードPHITSにより、大気拡散モデルの計算格子ごとに地表面沈着・大気中の放射性核種から地上の評価点への線量寄与を計算して整備した応答行列のデータベースを用いた。精度検証として、六ヶ所再処理工場においてアクティブ試験により大気放出された放射性核種の局所域拡散シミュレーションを行った。敷地内のモニタリングポストにおいて得られた空間線量率と比較したところ、良好に一致することを確認した。これにより、詳細線量計算手法を導入したLOHDIM-LESは、建物影響を考慮して空気中濃度や線量を詳細に評価できることを実証した。

論文

Large-eddy simulation of plume dispersion in the central district of Oklahoma City by coupling with a mesoscale meteorological simulation model and observation

中山 浩成; 竹見 哲也*; 吉田 敏哉

Atmosphere (Internet), 12(7), p.889_1 - 889_15, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Environmental Sciences)

局所域高分解能大気拡散モデルに気象シミュレーションデータ及び気象観測データを入力値として与え、2003年に米国オクラホマシティー市街地で行われた野外拡散実験を対象にした大気拡散計算をそれぞれ行い、入力条件の違いが拡散予測精度に及ぼす影響を調べた。前者では気象シミュレーションの3次元データを与え、後者では鉛直一次元の気象観測データを水平方向に一様性を仮定して、大気拡散モデルの入力条件として与えた。その結果、気象シミュレーションデータを入力条件とした場合、気象観測データを入力条件とした場合よりも再現性が良かった。ただし、後者の入力条件時における計算結果も、拡散予測精度に関する推奨値(実験値と計算値の比が0.5から2.0倍の範囲内にある割合)と同等の値を示した。以上により、気象シミュレーションデータに加え、定点観測された気象観測データをモデル入力条件とした拡散計算手法も有望であることが示された。

論文

Toward development of a framework for prediction system of local-scale atmospheric dispersion based on a coupling of LES-database and on-site meteorological observation

中山 浩成; 吉田 敏哉; 寺田 宏明; 門脇 正尚

Atmosphere (Internet), 12(7), p.899_1 - 899_16, 2021/07

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Environmental Sciences)

CLADS補助金事業「ガンマ線画像から大気中3次元核種分布及び放出量を逆解析する手法の開発」において、原子力機構の分担課題として実施する、大気拡散計算と放射線計測を融合して大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を推定する手法開発のために実施するものである。本研究では、福島第一原子力発電所の廃炉工程で発生しうる放射性物質の大気放出を想定した大気拡散予測の精度向上のために、原子力機構内にある建物を原子炉建屋と見なして、その周辺の気流の集中観測と簡易的な拡散実験を実施した。気流の集中観測としては、対象建物よりやや離れた所にドップラーライダーを設置して、上空の風速を3次元的に測定・取得した。また、建物屋根面に超音波風速計を設置して、建屋の影響で生じる非定常性の強い複雑な乱流の情報として、高周波変動風速も測定・取得した。簡易的な拡散実験としては、放射性物質の放出をミスト散布により模擬し、ミストの拡散の様子をビデオカメラで撮影した。次に、建物影響を考慮した詳細乱流計算によるデータベースと気象観測との結合による簡易拡散計算を行った。拡散シミュレーション結果とカメラ撮影したミスト拡散とを比較したところ、各時刻において良好に拡散挙動が再現できていることを確認した。これにより、本研究で提案したフレームワークの有効性を示すことができた。

論文

Real-time tracer dispersion simulations in Oklahoma City using the locally mesh-refined lattice Boltzmann method

小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 中山 浩成; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*

Boundary-Layer Meteorology, 179(2), p.187 - 208, 2021/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:89.67(Meteorology & Atmospheric Sciences)

汚染物質の拡散解析手法CityLBMは、GPUスーパーコンピュータ上において、適合細分化格子(AMR)法を適用する事で、数kmの解析領域の実時間解析が可能である。本論文では、CityLBMの検証としてオクラホマ市で実施された野外拡散実験(JU2003)に対する解析を実施した。計算条件として、Weather Research and Forecasting(WRF)モデルを用いた風況条件および、建物と植生を考慮した地表面データをCityLBMに与えることで、JU2003の実験条件を再現した。さらにアンサンブル計算の実施により、乱流の不確実性を軽減した。汚染物質の時間平均濃度および最大値を実験測定値と比較した結果、アンサンブル計算により解析精度を向上すると共に、2m解像度・4km四方の解析では、24個の計測値に対して70%の高い割合でFactor2を満たす事を確認した。

論文

Simulation code for estimating external gamma-ray doses from a radioactive plume and contaminated ground using a local-scale atmospheric dispersion model

佐藤 大樹; 中山 浩成; 古田 琢哉; 吉廣 保*; 坂本 健作

PLOS ONE (Internet), 16(1), p.e0245932_1 - e0245932_26, 2021/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:83.53(Multidisciplinary Sciences)

本研究では、大気および土壌に不均一に分布する放射性核種からのガンマ線による外部被ばく線量評価のための計算モデルSIBYLを開発した。SIBYLは、原子力機構が開発した局所域大気拡散モデルLOHDIM-LESに接続し、LOHDIM-LESが予測した放射性核種の分布に従い地表面での線量率分布を計算できる。原子力緊急時における利用で要求される計算速度と精度を実現するため、汎用放射線輸送計算コードPHITSを用いて膨大な計算資源を要する3次元放射線輸送計算を予め行い、その結果を線量計算に利用するデータベースとして整備した。また、SIBYLは、ビル等の障害物による減衰や地表面の標高変化を考慮した線量評価ができるという特長がある。そこで、排気塔からの$$^{85}$$Krの大気放出および都市部での$$^{137}$$Csの拡散を想定した5ケースに対して、SIBYLで地表面の線量率分布を計算し、その結果をPHITSによる線量率分布の評価結果と比較して、SIBYLの信頼性と性能を検証した。その結果、評価地域の大部分で両者の評価結果は10%以内で一致し、かつSYBILはPHITSに対して約100倍以上高速に線量を評価し、緊急時にも適用可能であることを確認した。

論文

Development of a combined LES/RANS model to predict atmospheric dispersion over urban areas

吉田 敏哉; 中山 浩成

日本計算工学会論文集(インターネット), 2020, p.20200013_1 - 20200013_9, 2020/07

都市域で放出された有害物質の拡散を迅速かつ正確に予測するため、large-eddy simulation (LES)モデルで事前計算した流れ場を用いて、Reynolds-averaged Navier-Stokesモデルにより拡散シミュレーションを行う結合モデルを提案した。まず、本モデルを簡易なストリートキャニオン内における物質拡散に適用した。その結合モデルの結果を風洞実験と比較し、乱流スカラーフラックスの経験パラメータを調整した。最適化したパラメータを使用した場合、結合モデルが予測した水平拡散分布はLESモデルの計算結果とよく一致することが分かった。続いて、結合モデルを実在都市上の物質拡散予測へ適用した。その結果、結合モデルは短い計算時間でLESモデルに近い計算精度を示すことができた。以上より、結合モデルは都市域にて危険物質が放出された際の即時評価に対し、有効なモデルになりうると考える。

論文

Development of the data assimilation method suitable for large-eddy simulation model using the vibration equation

中山 浩成; 竹見 哲也*

Proceedings of 19th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes (HARMO-19) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2019/06

データ同化手法は、数値モデルに観測値を入力してより現実に近い結果を出せるように計算値を修正していく技術である。しかしながら、これまでの手法は主に広域スケールを対象とした気象モデルのために開発されたものであり、通常用いられる観測値も10分から1時間程度の間隔で時間平均されたものが多い。そのため、従来の手法は、瞬間的に変化する乱流スケールの風速変動を考慮できず、乱流の非定常計算を行うlarge-eddy simulation(LES)モデルには適さないという問題があった。そこで本研究では、振動方程式を使用して平均風速の観測データをLESモデルに融合するデータ同化手法を開発した。試計算として、まず上流側において1/7べき指数の風速分布を持つ接近流を作成し、本データ同化手法を用いて1/4べき指数の風速分布に近づけることを試みた。その結果、振動方程式中の固有角振動数を接近流が持つ風速変動のピーク振動数よりも小さくすると、乱流スケールの短周期変動性状を維持しつつターゲットとする平均風速分布に近づけることができた。以上により、振動方程式を用いた本データ同化手法はLESモデルに適合した手法として有効に利用できる可能性が示唆された。

論文

Large-eddy simulation studies for predicting plume concentrations around nuclear facilities using an overlapping technique

中山 浩成; 竹見 哲也*

International Journal of Environment and Pollution, 64(1/3), p.125 - 144, 2018/00

原子力緊急時において、プルーム拡散挙動や汚染域の空間分布などの詳細情報を得るために、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく計算流体力学モデルの活用が有効である。しかしながら、LESによる非定常計算の実行に膨大な時間が必要であることが緊急時の適用において課題となっている。そのため、局所域スケールでの大気拡散挙動を迅速かつ詳細に予測できる計算手法の開発を目的とする。本研究で提案する手法は、初めに、代表的な風速データを入力条件として与えた仮想気象条件下で原子力施設から点源放出されたプルームの大気拡散計算を36風向について行い、10分平均での風速と濃度のデータを各風向毎に作成する。次に、風洞実験で用いる重合法を応用して、対象期間での濃度分布を、平均風向の出現頻度に応じて10分平均濃度分布を重ね合わせて評価する。本手法の妥当性を調べるために、観測データを入力条件として与えた実気象条件下での大気拡散計算を行い、重合法により推定された濃度分布と比較した。その結果、変化する気象状況下での1時間平均濃度分布と良好に対応することが示された。これにより、重合法を用いた局所域大気拡散計算手法は即時対応が可能であることが示唆された。

論文

LES studies for predicting plume concentrations around nuclear facilities using an overlapping technique

中山 浩成; 竹見 哲也*

Proceedings of 18th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes (HARMO-18) (USB Flash Drive), p.843 - 847, 2017/10

原子力緊急時において、プルーム拡散挙動や汚染域の空間分布などの詳細情報を得るために、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく計算流体力学モデルの活用が有効である。しかしながら、LESによる非定常計算の実行に膨大な時間が必要であることが緊急時の適用において課題となっている。そのため、重合法を用いることにより局所域スケールでの大気拡散挙動を迅速かつ詳細に予測できる計算手法の開発を目的とする。本研究で提案する重合法は、初めに、代表的な風速データを入力条件として与えた仮想気象条件下での原子力施設から点源放出されたプルームの大気拡散計算を36風向について行い、10分平均での風速と濃度のデータを各風向毎に作成する。次に、対象期間での濃度分布を、風向変動の出現頻度に応じて10分平均濃度分布を重ね合わせて評価する。本手法の妥当性を調べるために、観測データを入力条件として与えた実気象条件下での大気拡散計算を行い、重合法による濃度分布と比較した。その結果、変化する気象状況下での1時間平均濃度分布と良好に対応することが示された。これにより、重合法を用いた局所域大気拡散計算手法は即時対応が可能であることが示唆された。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation. 5; Detailed simulation of turbulent flows and plume dispersion in an actual urban area under real meteorological conditions

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(6), p.887 - 908, 2016/06

 被引用回数:13 パーセンタイル:86.34(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究は、気象モデルとLESモデルとの結合により、2003年米国オクラホマシティーで行われた野外都市拡散実験を対象にして、実気象条件下において局所域詳細拡散シミュレーションを行ったものである。モデルの結合の際、任意の気象シミュレーションデータが取り込めるようにLESモデルの流入境界条件の改良を行った。野外実験結果の風速・風向分布と比較すると良好に再現した計算結果が得られた。また、個々の都市建築構造物の影響の激しい所で測定された濃度変動データを計算結果と比較すると、平均値だけでなくピーク値なども良好に再現していることが分かった。これらにより、本詳細大気拡散計算手法の有効性を示すことができた。

報告書

Local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using large-eddy simulation; LOHDIM-LES

中山 浩成; 永井 晴康

JAEA-Data/Code 2015-026, 37 Pages, 2016/03

JAEA-Data-Code-2015-026.pdf:2.48MB

数km四方の局所域スケールにおいて詳細に大気拡散計算を行える数値シミュレーションモデル、局所域高分解能大気拡散モデルを開発した。このモデルは、非定常挙動予測に優れたLarge-Eddy Simulation乱流モデルに基づき設計されている。基本方程式は、連続の式、流体運動方程式、空気中濃度の輸送方程式により構成されている。建造物や局所地形は数m程度の高分解能計算格子で精緻に解像され、それらの乱流効果は境界埋め込み法によって表現されている。大気乱流場の再現にあたっては、主解析領域の上流側に乱流駆動領域を設け、リサイクリング手法によって境界層乱流を作り出している。この乱流変動風を主解析領域に時々刻々与えることで、計算対象領域における大気乱流および拡散挙動を詳細に評価できるようになっている。

論文

The Numerical analysis of the capping inversion effect in a convective boundary layer flow on the contaminant gas dispersion

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Procedia Earth and Planetary Science, 15, p.560 - 565, 2015/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.02

局所域高分解能大気拡散モデルは、建物・地形効果に加え、温度成層効果も考慮できるようになっており、代表的な大気安定度に対しては基本性能は実証されている。今回は、温度条件を様々に変えることで各種大気不安定境界層乱流を作り出し、風洞実験結果と比較検証を行った。さらにそれぞれのケースにおいて大気拡散計算も行い、摩擦速度に対する対流速度スケールの比を基にプルーム拡散の濃度分布パターンの類型化を行った。その結果、そのスケール比が0.34を上回る弱不安定時ではプルームの着地はかなり風下側で見られたが、それを下回るような強不安定時ではいち早く着地することなどが分かった。

論文

Large-Eddy Simulation of turbulent winds during the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident by coupling with a meso-scale meteorological simulation model

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 12(1), p.127 - 133, 2015/00

 被引用回数:8 パーセンタイル:94.3

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルを用いた局所域大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、領域気象モデルとLESモデルとの結合により、2011年3月11日に東日本大震災により引き起こされた福島第一原子力発電所(福島第一原発)の事故時における風況場を対象に局所域乱流数値シミュレーションを行った。福島第一原子力発電所は、原子力施設に加え局所的に地表面の起伏があり、複雑な地表面形状を有している。本発表では、結合計算手法により得られた建物や局所地形の影響下での風況場の乱流構造について報告する。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion under various thermally stratified boundary layers

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 11, p.75 - 81, 2014/07

 被引用回数:8 パーセンタイル:97.2

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)に基づく局所域高分解能大気拡散予測モデルの開発とその導入を目指している。今回は、まず、大気が安定・不安定成層化した境界層乱流を作り出し、それぞれのケースにおいて大気拡散計算を行う。既往の拡散風洞実験及び理論解との比較により再現性について議論をし、本LESモデルの性能評価を行う。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation, 4; Turbulent flows and plume dispersion in an actual urban area

中山 浩成; Leitl, B.*; Harms, F.*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(5), p.626 - 638, 2014/02

 被引用回数:15 パーセンタイル:82.07(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究では、数m程度の高分解能計算格子により実在都市市街地を解像し、数値シミュレーションを行った。その結果、平均風速,乱流強度,濃度の空間分布パターンは全体的に良好に対応していることが示された。今回設定した個々の建物に対する格子数を考慮すると、本計算結果は妥当であり、LESモデルの基本的性能が示された。

論文

WSPEEDIによる福島原発事故時の放射性物質拡散予測について

中山 浩成; 永井 晴康

日本風工学会誌, 38(4), p.396 - 403, 2013/10

2011年3月11日に発生した東日本大震災により引き起こされた福島第一原子力発電所事故により、大量の放射性物質が大気中に放出された。この事故では、震災により発生した地震や津波などにより電源喪失が引き起こされ、放射線測定のための環境モニタリングポストなどが作動せず、事故初期においては放出率情報が不明であったため、事故の規模や公衆の被ばく線量予測のために放出量を算定することが喫緊の課題となっていた。本稿では、これらの解析で重要な役割を果たした大気拡散シミュレーションについて、原子力機構の予測システム開発と福島第一原子力発電所事故への適用の概要を説明する。

論文

Development of local-scale high-resolution atmospheric dispersion model using Large-Eddy Simulation, 3; Turbulent flow and plume dispersion in building arrays

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(5), p.503 - 519, 2013/05

 被引用回数:11 パーセンタイル:70.93(Nuclear Science & Technology)

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。本研究では、高分解能計算格子により整形配列された立方形状の建物を解像し、都市域に相当する3種の粗度密度の建物群を対象にして数値シミュレーションを行った。その結果、建物配置の違いによる乱流場・拡散場の分布パターン、濃度変動の時系列データや瞬間高濃度が実験結果と良好に対応していることが示された。これらにより、本LESモデルの妥当性が示された。

論文

Reconstruction of the atmospheric releases of $$^{131}$$I and $$^{137}$$Cs resulting from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident

茅野 政道; 寺田 宏明; 堅田 元喜; 永井 晴康; 中山 浩成; 山澤 弘実*; 平尾 茂一*; 大原 利眞*; 滝川 雅之*; 速水 洋*; et al.

NIRS-M-252, p.127 - 135, 2013/03

福島第一原子力発電所事故に伴い大気中に放出された$$^{131}$$I及び$$^{137}$$Csの放出推移について、環境モニタリングデータと1Bq/hの単位放出を仮定した大気拡散シミュレーション計算から逆推定した。この推定法では、大気放出率は、測定された大気中濃度を、計算シミュレーションにより得られる測定点での濃度で割ることにより求めることができる。大気中濃度の測定値がない場合には、放出核種の組成割合を仮定して、空間線量率をもとにした推定も可能である。推定によれば、$$^{131}$$Iの放出は、10$$^{13}$$$$sim$$10$$^{14}$$Bq/hの放出に引き続き、10$$^{15}$$Bq/hを超える大量の放出が2011年3月15日に起き、16日以降24日頃まで10$$^{14}$$Bq/hオーダーで継続し、その後、徐々に減少している。これらの結果は、他の放出量推定法による結果や、本推定値を用いたさまざまな大気拡散・沈着量計算結果の実測値との比較により検証しており、推定値は少なくとも放射性プルームが陸側に流れている期間については合理的であることが示された。

論文

Large-Eddy Simulation of plume dispersion within various actual urban areas

中山 浩成; Jurcakova, K.*; 永井 晴康

Advances in Science & Research (Internet), 10, p.33 - 41, 2013/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:96.93

大気・陸域・海洋での放射性物質の移行挙動を包括的に予測できるSPEEDI-MPにおいて、Large-Eddy Simulation(LES)モデルによる都市大気拡散予測システムの開発とその導入を目指している。今回は、高分解能計算格子により数種の特徴的な地表面形状を示す実在都市域を精緻に解像し、それぞれの都市域での点源拡散に関するLES解析を行った。本発表では、都市形態と平均濃度・変動濃度の空間分布パターンとの関連性について考察し、都市域内での拡散プルームが、建築構造物により大きく受ける影響範囲を定量的に示し、議論するものである。

論文

Large-Eddy Simulation of urban boundary-layer flows by generating turbulent inflows from mesoscale meteorological simulations

中山 浩成; 竹見 哲也*; 永井 晴康

Atmospheric Science Letters, 13(3), p.180 - 186, 2012/07

 被引用回数:44 パーセンタイル:82.02(Geochemistry & Geophysics)

本研究では、気象モデルとLarge-Eddy Simulation(LES)モデルを融合することで、現実都市での風速変動を定量的に解析する技術を構築することを目的とする。解析対象領域を東京都心部(大手町・丸の内地区)とし、2009年台風18号の通過に伴って生じた強風・突風を定量的に評価することを試みる。気象モデルとしてWeather Research and Forecasting(WRF)モデルを用い、気象庁メソ客観解析値を初期値・境界値条件として、WRFモデルに与え、台風18号の領域気象シミュレーションを行った。次に、WRFモデルで得られた風速データをLESモデルの流入境界に与え、乱流流入生成技術を用いて都市風速変動のシミュレーションを実行した。その結果、気象庁観測点での風速変動が、LESのものとよく対応することが示された。

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